Was haben eine Nebelmaschine, Stroboskoplichter und Attrappen von Fledermäusen in einem Robotiklabor zu suchen? Nein, er veranstaltet keine Halloween-Party. Es dient als Testfeld für die nächste Generation von Rettungsdrohnen. Während die aktuellen Modelle auf Kameras und Lasersensoren setzen, arbeiten Forscher an der Worcester Polytechnic Institute Sie entwickeln Mini-Drohnen, die mit Ultraschall „sehen“. Ähnlich wie Fledermäuse.
Sie funktionieren in völliger Dunkelheit, in dichtem Rauch und Nebel. Sie sind kostengünstig, wiegen weniger als ein Pfund und können Leben retten, wo herkömmliche Systeme versagen. Professor Nitin Sanket er hat gerade bekommen 705 US-Dollar von der NSF Um sie zu perfektionieren. Möchten Sie mehr erfahren? Ich bin für Sie da.
Wenn das Sehvermögen zur Einschränkung wird
Seit über einem Jahrzehnt konzentriert sich die Luftrobotik auf bildbasierte Systeme. Kameras, optische Sensoren, Lidar: Sie alle funktionieren einwandfrei, solange Licht und saubere Luft vorhanden sind. Doch wenn nachts ein Erdbeben die Luft erschüttert, ein Feuer sie mit Rauch erfüllt oder eine Lawine Schneestaub aufwirbelt, sind diese Systeme nutzlos. Die Kameras zeichnen nur Schwarz auf. Die Laserstrahlen gehen in den Schwebstoffen verloren. Die Rettungsbemühungen werden eingestellt.
Sanket weiß das genau:
„Bei einem Erdbeben oder Tsunami sind die Stromleitungen das Erste, was ausfällt. Oft ist es Nacht. Man kann nicht bis zum Morgen warten, um nach Überlebenden zu suchen.“
So betrachtete er die Natur (gesegnet sei sie allezeit). BiomimetikGibt es auf der Welt ein Lebewesen, das sich perfekt in der Dunkelheit orientieren kann? Die Antwort findet sich seit Millionen von Jahren in Höhlen: Fledermäuse.
Die Mini-Drohne, die hört statt sieht
Il PeAR Bat (vom Namen der Forschungsgruppe) Wahrnehmung und autonome RobotikEs wiegt weniger als 100 Gramm und ist kleiner als 10 Zentimeter. Es besitzt weder Kameras noch LiDAR. Stattdessen nutzt es Ultraschallsensoren – die einfachen Sensoren, die man in automatischen Wasserhähnen in öffentlichen Toiletten findet. Es sendet hochfrequente Schallimpulse aus und empfängt deren Echos von Hindernissen. Schall durchdringt im Gegensatz zu Licht Rauch, Nebel und Staub.
Während der Tests in dem in eine künstliche Nebelkammer umgewandelten Labor, der Student Colin Balfour Er ließ eine Mini-Drohne zuerst bei eingeschaltetem Licht, dann in nahezu völliger Dunkelheit fliegen. Das Ergebnis? Identisch. Die Drohne erkannte eine Plexiglaswand und änderte selbstständig ihren Kurs – ganz ohne visuelle Hilfsmittel.
La Akustische Technologie steuert Navigation und Hindernisvermeidung mit wesentlich höherer Energieeffizienz als optische Systeme.
Die Kameras verschwinden nicht: Sie bleiben weiterhin nützlich, um Überlebende zu orten, sobald man das Gebiet erreicht hat. Die Navigation erfolgt jedoch primär ausschließlich über Geräusche.
Mini-Drohnen, die (gelöste) "Ferse" des Lärms
Die Entwicklung verlief nicht reibungslos. Das Propellergeräusch störte den Ultraschall und machte das System praktisch taub. Die Lösung kam von der MetamaterialienStrukturen mit speziell entwickelten Geometrien zur Modulation von Schallwellen. Ähnlich wie schallabsorbierender Schaumstoff in Tonstudios, jedoch angewendet auf Drohnen. Das Team hat Schutzhüllen im 3D-Druckverfahren hergestellt, die Interferenzen deutlich reduzieren.
Und dann ist da noch die Software.Künstliche Intelligenz wurde darauf trainiert, Ultraschallsignale zu filtern und zu interpretieren. tiefe Lernen Basierend auf physikalischen Gesetzen. Ein hierarchisches Reinforcement-Learning-System ermöglicht es Drohnen, definierte Ziele anzufliegen und dabei Hindernissen dynamisch auszuweichen. Die gesamte Berechnung erfolgt an Bord, ohne dass externe Infrastruktur benötigt wird.
Jenseits der Fledermäuse, aber nicht zu viel
Sanket räumt als Erster die Grenzen ein: „Fledermäuse sind erstaunlich. Wir sind noch weit davon entfernt.“ Fledermäuse ziehen ihre Muskeln zusammen, um nur bestimmte Echos wahrzunehmen, und können Objekte, die so dünn wie ein menschliches Haar sind, aus mehreren Metern Entfernung erkennen.
Die PeAR-Fledermaus kann Hindernissen derzeit mit einer Fluggeschwindigkeit von etwa 2 Metern pro Sekunde ausweichen. Für eine reale Rettungsmission ist das langsam, aber es ist erst der Anfang.
Das Projekt zielt darauf ab, Drohnenschwärme zu entwickeln, die in Umgebungen operieren, in denen herkömmliche Systeme ineffektiv sind. Dies soll durch die Integration von Echoortung mit Inertialmesseinheiten und anderen Sensoren erreicht werden. SensorfusionDiese Geräte könnten die Situationserkennung und die Navigationszuverlässigkeit erheblich verbessern. Zukünftige Versionen könnten auch Ultraschall verwenden, um Herzschlag von Überlebenden orten, wodurch Drohnen zu noch präziseren Ortungsinstrumenten werden.
Mini-Drohnen, die Kosten eines Lebens
Ein Hubschrauberrettungseinsatz kostet bis zu 100.000 €. LIDAR ist zwar effektiv, aber energieintensiv und bei Rauch ohnehin nutzlos. Kommerzielle Drohnen mit 4K-Kameras kosten Tausende von Euro und werden bei Sonnenuntergang oder Nebel schnell zu Gartengeräten.
PeAR Bat wird aus hochwertigen Hobbykomponenten gefertigt. Es kostet nur wenige hundert Euro. Das Entwicklungsteam plant, von Labortests zu Feldeinsätzen überzugehen. innerhalb von drei bis fünf Jahren.
Die Anwendungsbereiche reichen weit über die Rettung hinaus: Überwachung in Katastrophengebieten, Inspektion gefährlicher Umgebungen und Umweltschutz. Sanket schlägt vor, dass die Prinzipien der Klangnavigation so unterschiedlichen Sektoren wie … zugutekommen könnten. selbstfahrende Autos, Korallenriffschutz, Vulkanerkundung.
Der Forscher arbeitet bereits daran, die Geschwindigkeit auf über zwei Meter pro Sekunde zu steigern. Bei Autobahngeschwindigkeit im Wald werden Schallwellen komprimiert – ein Phänomen, das in den Modellen berücksichtigt werden muss. Es handelt sich nicht um ein technisches Detail, sondern um den Unterschied zwischen pünktlicher Ankunft und Verspätung.
Der Flug hat bereits begonnen
Die Vereinigten Staaten sind nicht allein. Auch Norwegen produziert die Schwarze Hornisse 4, eine handtellergroße Drohne, die von westlichen Streitkräften eingesetzt wird. Sie gewann die Auszeichnung Blue UAS Refresh Harvard arbeitet an der Entwicklung eines Geräts, das 2025 vom US-Verteidigungsministerium hinsichtlich Akkulaufzeit und Wetterbeständigkeit geprüft werden soll. RoboBeeEine Mikrodrohne, die fliegen, landen und sogar vom Wasser in die Luft wechseln kann. Die US-Luftwaffe hat die Entwicklung miniaturisierter Drohnen bestätigt, jedoch ohne öffentliche Informationen über deren Fortschritte preiszugeben.
Diese Mini-Drohnen könnten auch zivile Bereiche revolutionieren. Präzisionslandwirtschaft, Infrastrukturinspektion, Wildtierüberwachung: überall dort, wo ein Einsatz unter schwierigen Bedingungen erforderlich ist, ohne Menschenleben zu gefährden.
Sanket schließt mit einer fast schon selbstverständlichen, aber dennoch entscheidenden Überlegung: „Wir können in Notfallsituationen nicht warten, bis sich die Lage beruhigt hat.“ Es ist eine einfache Feststellung. Doch sie verdeutlicht, warum in den nächsten drei Jahren 705 US-Dollar von der National Science Foundation für Ultraschallsensoren, 3D-gedruckte Metamaterialien und neuronale Netze ausgegeben werden, die darauf trainiert sind, ihre Umwelt zu „erfassen“.
Millionen Jahre Evolution haben Fledermäusen das Fliegen in der Dunkelheit beigebracht. Nun sind Roboter an der Reihe, dieselbe Lektion zu lernen. Und wenn sie es tun, können sie vielleicht einige weitere Leben retten.
